一文讀懂！天線增益那些事兒

接上文《天線是如何發(fā)射和接收電磁波的？》，我們今天接著學(xué)習(xí)天線相關(guān)的知識(shí)。今天一起來探討一下天線增益。

在開始探討天線增益之前，我們先來思考一下日常生活中的信號(hào)傳輸現(xiàn)象。當(dāng)我們身處地下室，手機(jī)信號(hào)可能會(huì)變得很弱，通話斷斷續(xù)續(xù)，網(wǎng)絡(luò)也慢得讓人抓狂；而在開闊的室外，信號(hào)則明顯增強(qiáng)，上網(wǎng)、通話都順暢無比。又比如家里的 WiFi，如果路由器放在角落，離它較遠(yuǎn)的房間信號(hào)就會(huì)很差，視頻加載緩慢。這些信號(hào)強(qiáng)弱變化的背后，其實(shí)都和天線增益有著千絲萬縷的聯(lián)系。

簡(jiǎn)單來說，天線增益是定量描述天線把輸入功率集中輻射的程度，從通信角度講，就是在某個(gè)方向上和范圍內(nèi)產(chǎn)生信號(hào)能力的大小。為了更直觀地理解，我們可以把天線想象成一個(gè)信號(hào)的 “聚光燈” ，普通的燈泡（相當(dāng)于無增益天線）向四面八方均勻發(fā)光，光線分散，在遠(yuǎn)處的亮度就很弱；而聚光燈（有增益的天線）則把光線集中在一個(gè)特定方向，在這個(gè)方向上光線更強(qiáng)，傳播得更遠(yuǎn)。天線增益就是衡量這種 “聚光” 能力的指標(biāo)，增益越高，就意味著天線在特定方向上發(fā)射或接收信號(hào)的能力越強(qiáng)，信號(hào)傳播的距離也就越遠(yuǎn)。

深入剖析：天線增益原理

從專業(yè)角度來講，天線增益是在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元（通常是各向同性的理想點(diǎn)源天線，它在空間各個(gè)方向均勻輻射能量 ）在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)的平方之比，簡(jiǎn)單理解也就是功率之比，如下圖所示。天線增益與天線方向圖有著緊密的聯(lián)系，方向圖就像是一個(gè)展示天線輻射特性的 “地圖”，它描繪了天線在不同方向上輻射信號(hào)的強(qiáng)弱分布。當(dāng)方向圖的主瓣越窄，意味著信號(hào)在某個(gè)特定方向上的集中度越高；同時(shí)后瓣、副瓣越小，說明能量分散到其他不必要方向的損耗就越少，這樣一來，天線的增益也就越高 。

為了讓大家更清晰地理解增益將輸入功率放大倍數(shù)的物理含義，我們來舉個(gè)例子。假設(shè)有一個(gè)理想的點(diǎn)源天線，它就像一個(gè)向四面八方均勻發(fā)光的燈泡，沒有方向性。如果要在距離它 100 米的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定強(qiáng)度的信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算得知，需要輸入 100 瓦的功率?，F(xiàn)在，我們換用一個(gè)增益為 13dB（約為 20 倍）的定向天線，神奇的事情發(fā)生了，在同樣距離的同一點(diǎn)處產(chǎn)生相同強(qiáng)度的信號(hào)，這個(gè)定向天線只需要輸入 100÷20 = 5 瓦的功率。這就好比原本需要用一個(gè)很大功率的燈泡才能照亮遠(yuǎn)處的某個(gè)地方，現(xiàn)在通過一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的 “聚光燈”（高增益天線），只需要很小的功率就能達(dá)到同樣的照明效果，這就是天線增益的魅力所在，它在最大輻射方向上，能有效地將輸入功率放大，讓信號(hào)傳播得更遠(yuǎn)、更強(qiáng) 。

衡量標(biāo)準(zhǔn)：dBd 與 dBi

在描述天線增益時(shí)，我們常常會(huì)看到 dBd 和 dBi 這兩個(gè)參數(shù) ，它們就像是衡量天線增益的兩把 “尺子”。dBi 表示的是天線在最大方向場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)于各向同性輻射器（也就是理想的點(diǎn)源天線，它向四面八方均勻輻射能量，方向圖是一個(gè)完美的球體 ）的參考值。例如，一個(gè)增益為 5dBi 的天線，意味著它在最大輻射方向上的輻射強(qiáng)度比理想的各向同性輻射器要強(qiáng) 5dB。

而 dBd 則表示天線在最大方向場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)于半波對(duì)稱振子（一種常見的基本天線形式，由兩根長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)的導(dǎo)線組成，形狀像一個(gè) “啞鈴” ）的參考值。半波對(duì)稱振子本身具有一定的方向性，不像各向同性輻射器那樣均勻輻射。

這兩者之間存在一個(gè)固定的轉(zhuǎn)換關(guān)系：0dBd = 2.15dBi?。這是因?yàn)榘氩▽?duì)稱振子在最大方向場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)于各向同性輻射器的參考值為 2.15 。比如，當(dāng)我們看到一個(gè)天線的增益標(biāo)注為 8dBd 時(shí)，如果要換算成 dBi，就可以通過公式計(jì)算得出 8dBd = 8 + 2.15 = 10.15dBi 。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)不同的場(chǎng)景和需求，選擇合適的單位來理解和比較天線增益 。例如在移動(dòng)通信基站中，通常會(huì)使用 dBi 來表示天線增益，這樣可以更直觀地評(píng)估天線在各個(gè)方向上相對(duì)于理想點(diǎn)源的輻射增強(qiáng)能力 ，從而更好地規(guī)劃信號(hào)覆蓋范圍。

實(shí)際意義：影響與應(yīng)用

天線增益在實(shí)際的通信領(lǐng)域中有著舉足輕重的地位，對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量起著關(guān)鍵作用，因?yàn)樗苯記Q定了蜂窩邊緣的信號(hào)電平 。在移動(dòng)通信系統(tǒng)里，我們可以把基站想象成信號(hào)的 “發(fā)射中心”，而天線增益就是決定信號(hào)能 “跑” 多遠(yuǎn)、多強(qiáng)的關(guān)鍵因素。增加天線增益，就如同給信號(hào) “插上了翅膀”，能夠在確定方向上增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，讓信號(hào)抵達(dá)更偏遠(yuǎn)的地區(qū) 。比如在一些偏遠(yuǎn)山區(qū)，如果基站天線的增益較低，信號(hào)可能只能覆蓋到山腳下，而提高增益后，信號(hào)就能翻山越嶺，覆蓋到更廣闊的山區(qū)，讓山區(qū)的居民也能享受到穩(wěn)定的通信服務(wù) 。

在不同的通信場(chǎng)景中，天線增益都發(fā)揮著不可或缺的作用 。在基站通信中，常見的定向基站天線增益一般為 18dBi，全向基站天線增益為 11dBi 。定向天線通過較高的增益，將信號(hào)集中向特定的區(qū)域輻射，有效覆蓋城市中的商業(yè)區(qū)、居民區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域 。想象一下，在繁華的城市街道上，基站就像一個(gè)個(gè)信號(hào) “燈塔”，定向天線以高增益將信號(hào)精準(zhǔn)地投向街道兩側(cè)的高樓大廈，確保樓里的人們無論是在打電話、上網(wǎng)還是觀看視頻，都能享受到流暢的通信服務(wù) 。而全向天線則憑借其相對(duì)較低但均勻分布的增益，在一些空曠的郊區(qū)、農(nóng)村等場(chǎng)景中，為周圍一定范圍內(nèi)的用戶提供信號(hào)覆蓋 。

衛(wèi)星通信更是離不開高增益天線 。衛(wèi)星距離地球遙遠(yuǎn)，信號(hào)在傳輸過程中會(huì)有很大的衰減 。為了確保地面站和衛(wèi)星之間能夠穩(wěn)定地傳輸信號(hào)，就需要高增益的天線來集中信號(hào)能量，減少路徑損耗 。例如，拋物面天線就是衛(wèi)星通信中常用的高增益天線，它的形狀就像一個(gè)巨大的 “信號(hào)收集碗”，能夠?qū)⑽⑷醯男l(wèi)星信號(hào)聚焦接收，同時(shí)也能將地面站發(fā)射的信號(hào)集中發(fā)射出去，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信 。在衛(wèi)星電視接收中，我們常見的 “鍋蓋” 天線就是拋物面天線的一種，通過高增益接收衛(wèi)星信號(hào)，讓我們?cè)诩抑芯湍苁湛吹絹碜允澜绺鞯氐木使?jié)目 。

在無線局域網(wǎng)（WLAN）中，高增益天線同樣有著重要應(yīng)用 。在一個(gè)大型的辦公園區(qū)或者商場(chǎng)里，如果使用普通增益的天線，可能會(huì)存在信號(hào)覆蓋不到的 “死角”，導(dǎo)致部分區(qū)域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差，影響用戶體驗(yàn) 。而采用高增益天線后，信號(hào)的覆蓋范圍得到顯著擴(kuò)展，能夠輕松穿透墻壁、障礙物，減少信號(hào)衰減，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。比如在一個(gè)多層的商場(chǎng)中，高增益天線可以將信號(hào)覆蓋到各個(gè)樓層的每一個(gè)角落，讓顧客和商家在商場(chǎng)的任何位置都能享受到快速的無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，方便購(gòu)物、辦公和娛樂 。

增益提升：方法詳解

在實(shí)際應(yīng)用中，我們常常需要計(jì)算天線增益，以便選擇合適的天線來滿足不同的通信需求。以下是一些常見且有效的方法：

1，增大天線尺寸

較大的天線能夠捕獲更多的無線電波 。這就好比用一個(gè)大網(wǎng)捕魚，網(wǎng)越大，能捕獲的魚就越多 。以拋物面天線為例，前面提到的增益計(jì)算公式(G(dBi) = 10Lg{4.5×(D/λ0)^2})表明，拋物面直徑(D)增大時(shí)，增益會(huì)顯著提高 。在衛(wèi)星地面接收站中，巨大的拋物面天線可以更有效地接收來自衛(wèi)星的微弱信號(hào)，這就是增大尺寸提高增益的實(shí)際應(yīng)用 。

2，增加天線數(shù)量（天線陣列）

多個(gè)天線可以組合其信號(hào)，這種方式被稱為天線陣列 。想象一下多個(gè)小水管同時(shí)向一個(gè)大水池注水，水量會(huì)比單個(gè)小水管注水大得多 。在 5G 通信基站中，就常常采用大規(guī)模天線陣列技術(shù)，通過將多個(gè)天線單元組合在一起，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的協(xié)同發(fā)射和接收，從而提高增益 。這些天線單元可以根據(jù)需要調(diào)整發(fā)射和接收的相位和幅度，使信號(hào)在特定方向上實(shí)現(xiàn)同相疊加，增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，提高通信質(zhì)量 。

3，利用反射表面

反射表面可以將電波重定向到天線，從而提高增益 。比如在一些電視接收天線背后，會(huì)安裝一個(gè)金屬反射板 。當(dāng)電視信號(hào)的電磁波傳播到反射板時(shí)，會(huì)被反射到天線的接收方向上，相當(dāng)于增加了天線接收到的信號(hào)能量，進(jìn)而提高了增益 。就好像用鏡子將光線反射到需要照亮的地方，讓光線更集中 。

4，設(shè)計(jì)特定形狀

一些天線類型，例如八木天線，專為更高的增益而設(shè)計(jì) 。八木天線由一個(gè)有源振子（通常是半波振子）、一個(gè)反射器和多個(gè)引向器組成 。反射器和引向器的作用是將有源振子向各個(gè)方向輻射的電磁波進(jìn)行重新分布，使信號(hào)在特定方向上得到加強(qiáng)，從而提高增益 。在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的無線電視接收中，八木天線因其較高的增益和較好的方向性，能夠有效地接收遠(yuǎn)處電視臺(tái)發(fā)射的信號(hào) 。

總結(jié)

通過以上內(nèi)容，希望大家對(duì)天線增益已經(jīng)有了較為全面且深入的理解。天線增益作為衡量天線輻射特性的關(guān)鍵指標(biāo)，在我們?nèi)粘Ｉ畹母鞣N通信場(chǎng)景中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用 。從手機(jī)信號(hào)的穩(wěn)定接收，到衛(wèi)星電視的精彩呈現(xiàn)，再到無線網(wǎng)絡(luò)的廣泛覆蓋，天線增益就像一個(gè)幕后英雄，默默保障著信號(hào)的高效傳輸 。

正確理解天線增益，能夠幫助我們?cè)谶x擇和使用天線時(shí)做出更明智的決策 。無論是在建設(shè)通信基站，還是為家中的無線路由器挑選合適的天線，了解增益的原理、計(jì)算方法以及影響因素，都能讓我們事半功倍，獲得更好的通信效果 。

那么，在你的生活中，有沒有遇到過因?yàn)樘炀€增益問題而導(dǎo)致信號(hào)不佳的情況呢？你又是如何解決的？或者你對(duì)天線增益還有哪些疑問，都?xì)g迎在留言區(qū)分享和提問 。讓我們一起交流探討，共同探索天線增益背后更多有趣的知識(shí) 。

最后加點(diǎn)私貨，推薦一下克勞斯這套經(jīng)典的天線書，也是我學(xué)習(xí)天線的主要參考書。